Строение бактериальной клетки и её отличия от эукариотической

Содержание

1. 1. Бактерии как особая форма жизни3
2. 2. Особенности строения бактериальной клетки5
3. 3. Отличия от эукариотической клетки8
4. 4. Значение различий для биологии и медицины10
5. Список литературы12

1. Бактерии как особая форма жизни

Бактерии, одна из древнейших и самых многочисленных групп живых организмов на Земле. Они относятся к прокариотам, то есть к «доядерным» формам жизни. Определяющая черта этих организмов в том, что у них нет оформленного клеточного ядра. Генетический аппарат бактерий не изолирован от цитоплазмы мембраной. Внутри клетки отсутствуют митохондрии, аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть. Вместо этих мембранных органелл работают более просто устроенные структуры. Такое строение делает бактериальную клетку эффективной, но принципиально иной формой жизни, нежели клетки растений, грибов или животных.

Снаружи бактерия покрыта жёсткой клеточной стенкой. Эта оболочка определяет форму микроорганизма (шарик, палочка или изогнутая спираль) и защищает его от перепадов осмотического давления. Внутреннее давление в клетке часто значительно выше внешнего, и без прочной стенки бактерия просто лопнула бы. Клеточная стенка отличает бактерий от животных, у которых такой оболочки нет, и от растений, чья стенка состоит из целлюлозы.

Внутренний объём клетки заполнен цитоплазмой. В ней расположен нуклеоид, зона, где лежит основная кольцевая хромосома. Нуклеоид, в отличие от эукариотического ядра, не имеет мембраны и не связан с гистонами. Кроме хромосомы, в цитоплазме часто встречаются плазмиды, небольшие автономные молекулы ДНК. Они несут дополнительные гены, например устойчивость к антибиотикам или способность расщеплять необычные вещества. Именно плазмиды во многом обеспечивают адаптацию бактерий к меняющимся условиям.

Изучение строения бактериальной клетки имеет не только теоретическое значение. Понимание устройства прокариот объясняет их распространение повсюду: от горячих источников до кишечника человека. В медицине различия между бактериальной и эукариотической клеткой используются для поиска мишеней антибактериальных препаратов.

Рибосомы бактерий отличаются от рибосом человека, а клеточная стенка прокариот не имеет аналогов у животных. Это позволяет создавать лекарства, которые избирательно уничтожают возбудителей инфекций, не затрагивая клетки пациента. Без подобных знаний современная микробиология, хирургия и фармакология были бы невозможны, а большинство инфекционных болезней оставались бы неизлечимыми.

2. Особенности строения бактериальной клетки

Бактериальная клетка устроена проще эукариотической, но эта простота обманчива. Каждый её компонент выполняет строго определённую задачу, и от слаженности этих задач зависит выживание микроорганизма в самых агрессивных средах. Начать разбор стоит с наружного каркаса, который принимает на себя первый удар извне.

Клеточная стенка бактерий, это жёсткий футляр, определяющий форму клетки и защищающий её от осмотического лизиса. Основу стенки составляет пептидогликан, который также называют муреином. Это уникальный полимер, состоящий из параллельных полисахаридных цепей, сшитых между собой короткими пептидными мостиками. Такая сетчатая структура напоминает броню, способную выдерживать внутреннее давление до 20 атмосфер. Толщина и количество слоёв муреина различаются. У грамположительных бактерий, например у стафилококков, стенка достигает 80 нанометров и состоит из десятков слоёв, тогда как у грамотрицательных (кишечная палочка) этот слой едва достигает 10 нанометров. Именно различия в строении стенки впервые были использованы Хансом Кристианом Грамом в 1884 году для разделения бактерий на две группы. Стенка не просто пассивный барьер. Она участвует в транспорте ионов и питательных веществ через поры, а у патогенных видов несёт факторы вирулентности.

Под стенкой располагается цитоплазматическая мембрана. Это тонкая липопротеиновая плёнка толщиной около 8 нанометров, которая окружает цитоплазму и работает как избирательный фильтр. Мембрана контролирует поступление питательных веществ и вывод продуктов обмена, создавая градиент концентраций. Но её функции шире простого барьера. На внутренней поверхности мембраны у бактерий локализованы ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Поскольку у прокариот нет митохондрий, именно мембрана служит энергетической станцией клетки, где

синтезируется основное количество АТФ. У некоторых фотосинтезирующих бактерий, таких как пурпурные серобактерии, мембрана образует складки внутрь клетки (мезосомы), увеличивая площадь для размещения пигментов и ферментов. Эти впячивания не являются автономными органеллами, а лишь производными мембраны.

Внутреннее пространство клетки заполнено цитоплазмой, которая представляет собой коллоидный раствор белков, углеводов и ионов. В отличие от эукариот, в цитоплазме бактерий отсутствуют мембранные органеллы: нет ни эндоплазматической сети, ни аппарата Гольджи, ни лизосом. Однако это не значит, что метаболические процессы идут хаотично. Многие ферменты работают в составе мультиферментных комплексов, которые удерживаются вместе за счёт слабых взаимодействий, образуя так называемые метаболоны. Основными структурными единицами, отвечающими за синтез белка, здесь выступают рибосомы 70S-типа. Они состоят из двух субъединиц (30S и 50S) и имеют молекулярную массу около 2,5 миллионов дальтон. Рибосомы бактерий меньше эукариотических (80S) и обладают иной чувствительностью к антибиотикам. Например, стрептомицин блокирует инициацию трансляции именно на 30S-субъединице. Рибосомы не прикреплены к мембранам, они свободно плавают в цитоплазме, часто объединяясь в полисомы при интенсивном синтезе белка.

Помимо рибосом, в цитоплазме бактерий находятся включения. Это запасные питательные вещества, которые клетка откладывает впрок. Наиболее распространены гранулы поли-β-гидроксимасляной кислоты (у азотобактера) и волютина, состоящего из полифосфатов. Эти соединения служат резервом углерода, энергии и фосфора, позволяя бактерии переживать голодные периоды. У некоторых водных и почвенных видов встречаются газовые вакуоли (везикулы), заполненные газом. Они регулируют плавучесть клетки, позволяя ей подниматься к поверхности воды или опускаться вглубь в зависимости от освещённости и концентрации кислорода. Клетки цианобактерий используют такие

вакуоли для вертикальной миграции в водоёмах. Включения не имеют мембраны или окружены однослойной белковой оболочкой, что указывает на их временный и функциональный характер.

Таким образом, каждый структурный компонент бактериальной клетки работает с высокой эффективностью при минимальных затратах ресурсов. Отсутствие сложных мембранных систем компенсируется плотной упаковкой ферментов и прямым контактом метаболических путей. Такая организация, описанная в классических работах Роджера Стэнира и в современных учебниках по микробиологии, позволяет бактериям сохранять метаболическую гибкость и быстро адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.

3. Отличия от эукариотической клетки

Самая заметная граница между двумя типами клеток проходит через организацию наследственного материала. У эукариот ДНК упакована в хромосомы и спрятана в ядре, которое отделено от цитоплазмы двойной мембраной. У бактерий ядерной мембраны нет вовсе. Их кольцевая хромосома лежит прямо в цитоплазме, в зоне, называемой нуклеоидом. Это не орган, а просто область уплотнения генетического материала, не отграниченная от остального содержимого клетки. Классический учебник микробиологии под редакцией Воробьёва прямо указывает: отсутствие оформленного ядра считается главным критерием, по которому прокариот отделяют от эукариот. Помимо основной хромосомы, у бактерий часто встречаются небольшие автономные молекулы ДНК, плазмиды. Они несут дополнительные гены, например устойчивость к антибиотикам, и легко передаются между клетками.

Второе принципиальное различие касается внутреннего устройства. В эукариотической клетке цитоплазма пронизана сетью мембранных структур: эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии. Каждая такая органелла имеет собственную мембрану и выполняет узкую задачу. У бактерий ничего подобного нет. Их цитоплазма однородна, мембранные органеллы отсутствуют. Функции, которые у эукариот распределены между разными отсеками, у бактерий выполняются прямо на цитоплазматической мембране или в самом цитозоле. Например, окислительное фосфорилирование у прокариот происходит на впячиваниях мембраны, мезосомах, тогда как у эукариот для этого есть отдельная органелла, митохондрия.

Строение клеточной стенки тоже демонстрирует глубокие отличия. Бактериальная стенка построена из муреина, пептидогликана, который не встречается ни у одного другого организма. У грамположительных бактерий муреин образует многослойную толстую оболочку, до 80% массы стенки. У

грамотрицательных его слой тонкий, зато снаружи добавлена вторая липопротеиновая мембрана. Эукариоты с клеточной стенкой используют совсем другие полимеры. Растения строят её из целлюлозы, грибы из хитина. Ни у одного эукариота не синтезируется муреин. Это химическое различие стало основой для действия антибиотиков: пенициллин блокирует сборку пептидогликана, поэтому убивает бактерии, но не трогает растительные или грибные клетки.

Отличается и белоксинтезирующий аппарат. Рибосомы бактерий имеют константу седиментации 70S и состоят из двух субъединиц: 30S и 50S. Эукариотические рибосомы крупнее, их полная частица даёт 80S, а субъединицы обозначаются как 40S и 60S. Разница в размерах и молекулярной организации делает бактериальные рибосомы уязвимыми для ряда антибиотиков. Тетрациклин связывается с субъединицей 30S, эритромицин с 50S, и оба препарата не действуют на рибосомы 80S человека. По этой причине такие лекарства избирательно подавляют синтез белка у прокариот, почти не затрагивая клетки хозяина. Митохондрии эукариот содержат собственные рибосомы 70S, что служит одним из аргументов в пользу их бактериального происхождения, но на практике на это совпадение при лечении не полагаются.

Перечисленные отличия имеют прямое практическое следствие. Разная биохимия клеточной стенки и рибосом позволяет создавать препараты, которые уничтожают патогенные бактерии, не повреждая ткани макроорганизма. Отсутствие ядра и мембранных органелл, в свою очередь, означает, что бактериальная клетка не способна к внутриклеточному пищеварению и лизосомной деградации, поэтому её метаболизм устроен проще и быстрее. Пока эукариотическая клетка тратит энергию на транспорт веществ между компартментами, бактерия использует её непосредственно на рост и деление. Именно поэтому при благоприятных условиях кишечная палочка способна удваиваться каждые двадцать минут, что для клеток с ядром и органеллами недостижимо.

4. Значение различий для биологии и медицины

Разобранные выше структурные различия между прокариотами и эукариотами, это не просто академический курьёз. На них держится значительная часть современной медицины и биотехнологии. Пожалуй, самое прямое приложение эти знания нашли в создании антибиотиков. Принцип тут жёсткий: найти мишень, которая есть у бактерии, но отсутствует или существенно отличается у человека. Рибосомы 70S и пептидогликановая клеточная стенка подходят на эту роль идеально.

Тетрациклины и аминогликозиды связываются с бактериальной рибосомой и блокируют синтез белка. Рибосомы 80S в клетках нашего организма при этом не затрагиваются. Пенициллин, открытый Александром Флемингом в 1928 году, действует иначе: он ингибирует ферменты транс пептидазы, которые сшивают цепи муреина. У человека нет ни пептидогликана, ни этих ферментов, поэтому препарат избирательно разрушает клеточную стенку бактерий, вызывая их лизис. Ванкомицин идёт ещё дальше, блокируя сборку субъединиц муреина на ранних стадиях. Такая точечная атака позволяет уничтожать патоген, оставляя клетки хозяина нетронутыми.

Отсутствие ядра и мембранных органелл часто воспринимается как примитивность. На деле это даёт бактериям колоссальное эволюционное преимущество. Транскрипция и трансляция у них сопряжены: рибосомы начинают синтез белка прямо на ещё не достроенной матричной РНК. Это позволяет реагировать на изменения среды за считанные секунды. Генетический материал, представленный одной кольцевой хромосомой и плазмидами, легко обменивается между клетками в процессе конъюгации. Горизонтальный перенос генов обеспечивает быстрое распространение устойчивости к антибиотикам. Метаболическая гибкость, обусловленная отсутствием компартментализации, позволяет бактериям использовать самые разнообразные субстраты и выживать в экстремальных условиях, от горячих источников до желудочно-кишечного

тракта.

Понимание устройства бактериальной клетки стало фундаментом генной инженерии. Плазмиды, эти маленькие внехромосомные молекулы ДНК, оказались идеальным вектором для переноса чужеродных генов. Ещё в 1973 году Стэнли Коэн и Герберт Бойер впервые встроили плазмиду с чужеродным геном в кишечную палочку. Сегодня этот подход масштабирован до индустриальных объёмов. Именно в бактериальных клетках синтезируют человеческий инсулин, гормон роста, интерфероны. В 1982 году препарат «Хумулин» стал первым рекомбинантным лекарством, одобренным для клинического применения. Промышленные штаммы Escherichia coli, лишённые патогенных факторов, работают как биореакторы, продуцируя до нескольких граммов целевого белка на литр культуры.

Наконец, знание структурных отличий напрямую работает в диагностике и профилактике инфекций. Выявление антигенов клеточной стенки или специфических последовательностей ДНК в нуклеоиде бактерии лежит в основе ПЦР-диагностики и иммуноферментного анализа. Эти методы позволяют идентифицировать возбудителя за считанные часы, а не дни, как при классическом бактериологическом посеве. Разработка вакцин также опирается на эти знания. Инактивированные бактерии, их очищенные полисахаридные капсулы или рекомбинантные белки, синтезированные в тех же бактериальных системах, формируют иммунный ответ без риска развития заболевания. Так, пневмококковая вакцина использует капсульные полисахариды, а менингококковая, белки наружной мембраны. Каждый такой препарат, прямое следствие расшифровки молекулярной архитектуры прокариотической клетки, и эта работа далека от завершения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Строение бактериальной клетки — https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B1%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8

2. Строение бактериальной клетки — https://biocpm.ru/stroenie-bakterialnoy-kletki

3. Морфология и структура бактерий — http://elib.usma.ru/bitstream/usma/956/1/UMK_2012_008.pdf

4. Структура бактериальной клетки — https://edubiotech.ru/images/vetfac/images/ebooks/microbiology/stu/bacter/strbkl.htm

5. Строение бактериальной клетки — https://www.allvet.ru/knowledge_base/microbiology/stroenie-bakterialnoy-kletki/

6. Структура и химический состав бактериальной клетки — https://studfile.net/preview/463029/page:3/

7. Строение бактериальной клетки — https://childrenscience.ru/legacy/mbl/mbl6.pdf

8. Морфология и структурная организация бактериальной клетки — https://elib.gsu.by/bitstream/123456789/75071/1/%D0%98.%D0%98.%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D1%86%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%8F%20%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F%20%D0%9C%D0%BE%D1%80%D1%84%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F%20%D0%B8%20%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F%20%D0%B1%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B9%20%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8.pdf